一种冻土微变形自动测量设备及其测量方法和过程
1. 本发明涉及测绘测量领域，具体涉及一种冻土微变形自动测量设备及测量方法。
背景技术：
2.青海至拉萨交通枢纽建设，是连接大陆与西藏的生命线工程。路基沉降变形是评价青藏公路和铁路工程稳定性的重要指标。作为现场变形监测最基本的监测方法，人工水平监测一直是现阶段最可靠、成本最高的监测方法。
3.液位计和塔尺组成的测量方法是一种常规的冻土沉降和变形观测方法，广泛用于工程实践（施工、检验、监理）和一般科学研究。该方法通过比较监测点与参考点的相对位置关系来评价待监测点的变形变化规律。水平法具有直观、简单的优点，但其缺点也很明显。首先自动测量设备，其测量精度与测量人员的熟练程度和责任感、设备的精度（包括水平尺和塔尺）、天气条件等密切相关。其次，由于人工观察，面对大范围、远距离的观测，都很难按时观测，更别提一天一次的高密度观测了。第三，现阶段尚未实现在线监测。此外，普通全站仪在沉降和变形监测方面还存在误差大、仪器成本高等问题。在研究沉降和变形机制时自动测量设备，过程监控非常重要。如果不能对监测对象进行在线连续高频率监测，就无法了解突发变形过程中各项指标之间的关系。更不可能捕捉失稳时的沉降变形临界值。更不用说每天一次的高密度观测了。第三，现阶段尚未实现在线监测。此外，普通全站仪在沉降和变形监测方面还存在误差大、仪器成本高等问题。在研究沉降和变形机制时，过程监控非常重要。如果不能对监测对象进行在线连续高频率监测，就无法了解突发变形过程中各项指标之间的关系。更不可能捕捉失稳时的沉降变形临界值。更不用说每天一次的高密度观测了。第三，现阶段尚未实现在线监测。此外，普通全站仪在沉降和变形监测方面还存在误差大、仪器成本高等问题。在研究沉降和变形机制时，过程监控非常重要。如果不能对监测对象进行在线连续高频率监测，就无法了解突发变形过程中各项指标之间的关系。更不可能捕捉失稳时的沉降变形临界值。普通全站仪在沉降和变形监测中也存在误差大、仪器成本高等问题。在研究沉降和变形机制时，过程监控非常重要。如果不能对监测对象进行在线连续高频率监测，就无法了解突发变形过程中各项指标之间的关系。更不可能捕捉失稳时的沉降变形临界值。普通全站仪在沉降和变形监测中也存在误差大、仪器成本高等问题。在研究沉降和变形机制时，过程监控非常重要。如果不能对监测对象进行在线连续高频率监测，就无法了解突发变形过程中各项指标之间的关系。更不可能捕捉失稳时的沉降变形临界值。无法理解突然变形过程中各个指标之间的关系。更不可能捕捉失稳时的沉降变形临界值。无法理解突然变形过程中各个指标之间的关系。更不可能捕捉失稳时的沉降变形临界值。
4.随着科学技术的进步，变形监测也在朝着自动化监测的方向发展。无人值守自动化解决方案相比人工观测具有明显优势：人工干扰误差小、测量精度高、测量频率高、可在线实时查看等。通过无人值守的自动化解决方案测量冻土路基的沉降和变形。
技术实现要素：
5.本发明要解决的技术问题是提供一种实时、准确的冻土微变形自动测量设备。
6. 本发明要解决的另一个技术问题是提供一种测量冻土微变形自动测量设备的方法。
7.为解决上述问题，本发明的冻土微变形自动测量设备，其特征在于：该装置包括设置在待测路基附近的安装柱，以及安装柱上的滚珠丝杠滑台和透明保护罩以及靠近安装柱放置的太阳能电池板；安装柱上设有主控舱，主控舱内设有电池和控制系统电路。球丝杆滑台置于透明保护罩内，垂直安装在安装柱顶部；滚珠丝杠滑台设有若干个激光头模块；待测路基上的测点设置有多个带反射镜的测桩，与多个激光头模块一一对应；太阳能电池板连接至电池；控制系统电路分别连接太阳能电池板和滚珠丝杠多个所述激光头模块。
8. 安装柱为圆柱形中空结构，中段设有主控隔室。
9. 滚珠丝杠滑台包括一个固定在安装柱上的底座，一个装有步进电机的顶座，以及
底座与顶座之间装有滚珠丝杠和导轨；底座中央设有滚珠丝杠，滚珠丝杠两侧设有一组导轨。滚珠丝杠滑台套在导轨上，滑台上设有若干个激光头模组，下部设有下定位片。滚珠丝杠穿过顶座并通过联轴器与步进电机相连；步进电机和若干激光头模块分别通过导线与控制系统电路相连。
10. 控制系统电路包括主控模块、电源管理模块、通讯模块、测量模块、数据管理模块、单片机组成的人机交互模块；电源管理模块由太阳能电池板和与蓄电池相连的太阳能充放电控制模块和系统供电模块组成；通信模块由与电脑通信的usb通信模块和连接移动网络的移动通信模块组成。测量模块由多个激光头组成，激光发射和接收数据预处理模块与模块相连，步进电机驱动模块与步进电机相连。数据管理模块由与主控模块相连的存储模块、与通信模块相连的传输模块和分别与存储模块和传输模块相连的处理模块构成。人机交互模块包括按键输入和状态显示模块；主控模块连接电源管理模块，通信模块、测量模块、数据管理模块和人机交互模块连接。人机交互模块包括按键输入和状态显示模块；主控模块连接电源管理模块，通信模块、测量模块、数据管理模块和人机交互模块连接。人机交互模块包括按键输入和状态显示模块；主控模块连接电源管理模块，通信模块、测量模块、数据管理模块和人机交互模块连接。
11.上述冻土微变形测量方法自动测量设备包括以下步骤：
⑴
在待测路基上的测点处设置多个带反光板的测桩；
⑵
滚珠丝杠滑台内的滑台位于导轨中间为初始位置；调整滚珠丝杠滑台中的激光头模块，使相应的测量桩与反射镜对齐，以确保带反射片的测量桩的冻胀或解冻变形在滑动平台的扫描范围内；
⑶
在安装柱上安装透明保护罩；
⑷
在控制系统电路的控制下，滑动平台首先复位到由下定位片确定的滑动平台的最低点，然后通过控制它在导轨上往复和垂直移动，通过每个激光头模块发射和接收反射光，不断重复扫描得到每个带反射器ⅰ的测柱对应的位置，并通过准确记录滚珠丝杠滑轨中步进电机的旋转角度来转换为距离数据滑动平台相对于滑动平台最低点的位置ⅰ，记为a；
⑸
假设一段时间后，带反光片的测桩已经沉降变形到ⅱ位置，重新开始测量，滑台移动到滑台位置ⅱ，扫描位置ⅱ的带反光片的测桩，并准确记录滚珠丝杠滑台中步进电机的旋转角度，转换为滑台位置ⅱ相对于滑台最低点的距离数据，记为b；
⑹
根据平行四边形原理 z = z
´ꢀ
= 一个
ꢀ-ꢀ
b、可得到带反光片的测桩在此期间对应的沉降变形数据z；
⑺
以每天为测量频率，重复测量每个带反射器的测量桩对应的变形数据，然后在时域上整合路基不同点的变形过程监测数据。
12.与现有技术相比，本发明具有以下优点： 1、在控制系统电路的控制下，滑动平台在导轨上垂直移动，滑动平台通过操作过程中的激光。头部模块发射和接收反射光，并不断重复扫描以获取每个带反射器的测量柱的位置。通过准确记录步进电机的旋转角度，转化为滑动平台位置相对于初始点的线位移数据，从而获得多个测点的高度。路基变形过程频率、高精度监测数据，实现变形自动测量，数据实时上传，
13.2、 本发明实现了基于平行四边形测量法的路基变形自动测量，仅通过设备和测桩的可见性即可实现测量，具有比测量桩更广泛的适应性。水准仪的水平视线测量。
14.3、 本发明结构简单，激光头模块在变形测量过程中保持固定。与需要测量角度和距离来计算高程数据的全站仪相比，本发明引入的误差更小，成本更低。
图纸说明
15. 下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细说明。
16. 图1为本发明的结构示意图。
17. 图2是本发明的工作原理图。
18. 图3为本发明主控电路的功能结构图。
19. 图中：1
－
待测路基；2
－
带反射器的测量桩；3
－
安装色谱柱；31
ꢀ-
主控舱；4
－
控制系统电路；41
－
主控模块；42
－
电源管理模块；421
－
太阳能充放电控制模块；422
－
系统电源模块；43
－
通讯模块；431
－
USB通讯模块；432
－
移动通讯模块；44
－
测量模块；441
－
激光发射和接收数据预处理模块；442
－
步进电机驱动模块；45
－
数据管理模块；451
－
存储模块；452
－
传输模块；453处理模块；51
－
滚珠丝杠；52
－
轨; 53
－
滑动平台；54
－
耦合; 55
－
步进电机; 6
－
激光头模组；7
－
透明保护罩；8
－
太阳能板; 2
-1-
位置ⅰ；2
-2-
位置ⅱ；53
－
1 滑台位置ⅰ；53
-2-
滑动平台位置ⅱ。
详细方法
20.如图1~3所示，一种冻土微变形自动测量设备，该设备包括一个安装柱3、，放置在靠近路基1的安装柱3上被测量的滚珠丝杠滑台和透明保护罩7以及放置在安装柱3附近的太阳能电池板8。
21.安装柱3设有主控仓31，主控仓31内装有电池和控制系统电路4；滚珠丝杠滑块置于透明保护罩7内，垂直安装在立柱3的顶部；滚珠丝杠滑台上有若干个激光头模块6；待测路基1上的测点设有若干个带有反射器的测量桩2，与若干个激光头模块6一一对应。太阳能电池板8连接到电池；控制系统电路4分别连接太阳能电池板8、滚珠丝杠滑台和若干激光头模块6。
22.其中：安装柱3为圆柱形中空结构，中段设有主控舱31。
23.滚珠丝杠滑台包括固定在安装柱3上的底座，带有步进电机55的顶座，以及置于底座和顶座之间的滚珠丝杠51和导轨52；中心设有滚珠丝杠51，滚珠丝杠51两侧设有一组导轨52；滚珠丝杠51和导轨52上套设有滑台53，滑台53上设有若干个激光头模块6。下部设有下定位件。滚珠丝杠51穿过顶座并通过联轴器54与步进电机55连接。步进电机55和若干激光头模块6分别通过导线与控制系统电路4相连。
24.控制系统电路4包括由单片机组成的主控模块41、电源管理模块42、通讯模块43、测量模块44、数据管理模块45和人机交互模块46；电源管理模块42由太阳能充放电控制模块421和与太阳能电池板8和蓄电池相连的系统电源模块422组成。通信模块43由与计算机通信的USB通信模块431和移动连接网络由移动通信模块432组成；测量模块44由激光收发数据预处理模块44与若干激光头模块61、相连组成 步进电机驱动模块442，连接步进电机55；数据管理模块45由存储模块451、传输，连接主控模块41和通讯模块43
模块452、由连接存储模块451和传输模块452的处理模块453组成；人机交互模块46包括按键输入和状态显示模块。主控模块41连接电源管理模块42、通讯模块43、测量模块44、数据管理模块45连接人机交互模块46。
25.控制系统电路4可以完成设备控制、数据处理和无线远传，可以及时获取路基变形过程的高频、高精度监测数据。
26. 在实际应用中，多个激光头模块6对应的监测点之一就是建立的参考监测点，通过参考点校准可以获得更准确的变形监测数据。
27.冻土微变形自动测量设备的测量方法包括以下步骤：
⑴
在待测路基1的测点处设置若干带有反射器的测桩2；
⑵
将滑台53设置在导轨52中间的滚珠丝杠滑台中为初始位置；调整滚珠丝杠滑台中的若干激光头模块6，使相应的测量桩2与反射器对准，以保证带反射器2的测量桩在滑动平台53的扫描范围内发生冻胀或解冻变形。
⑶
在安装柱3上安装透明保护罩7，保护现场仪表，提高现场工作环境的适应性；
⑷
在控制系统电路4的控制下，滑台53先复位到下定位件确定的滑台最低点，然后控制在导轨52上往复和垂直移动，并通过操作期间的每个激光头模块6。发射和接收反射光，连续重复扫描，得到每个带反射器ⅰ2的测杆2的位置
－
1.通过精确记录滚珠丝杠滑台中步进电机55的旋转角度，转换为滑台位置ⅰ53
－
1 相对于滑台最低点的距离数据记为a；
⑸
假设经过一段时间后，带有反射器的测量桩2会发生沉降变形到ⅱ2位置
－
2. 重新开始测量，滑台53移动到滑台位置ⅱ53
－
2 扫描到位置ⅱ 2
－
2带反射器测桩2，通过准确记录滚珠丝杠滑台中步进电机55的旋转角度，换算成滑台位置ⅱ53
－
2 相对于滑台最低点的距离数据记为b；
⑹
根据平行四边形原理 z = z
´ꢀ
= 一个
ꢀ-ꢀ
乙、丙
´
是滑动平台位置ⅰ53
－
1和滑动平台位置ⅱ53
－
可得到2与带反射器测桩2在此期间对应的沉降变形数据z的差值；
⑺
以每天为测量频率，用反射器重复测量每个测桩2的相应变形数据，然后将其整合到时域路基不同点的变形过程监测数据中。
28. 本发明主控系统软件已获得中华人民共和国国家版权局计算机软件著作权登记，软件名称：冻土微量自动监测主控系统软件-形变; 注册号：2020sr0816256。
29. 本发明制作了测试样机并完成了测试。
30. 测试期：2020年4月至11月。
31. 试验地点：甘肃省兰州市城关区东港西路318号中国科学院西北生态环境资源研究所7号楼底层。
32. 取7月份的测试数据如下：
